关键词： 面积分数   多尺度分析   封严涂层   孔隙   分布均匀性   定量表征  

摘要： 多相非均质可磨耗封严涂层的孔隙尺寸复杂、形貌不规则,采用常规方法难以对其孔隙分布均匀性进行准确的定量表征。基于面积分数多尺度分析(Multi-scale analysis of area fraction,MSAAF)结合图像二值化处理和数字图像重采样技术,利用MSAAF曲线外推拟合线斜率绝对值k与均匀性长度LH定量表征孔隙分布均匀性。引入集群系数fc,基于铝硅聚苯酯封严涂层金相照片建立具有不同孔隙分布均匀性的模型,并对孔隙面积分数为1.0%和4.6%两种情况进行数值计算,探究k和LH与孔隙分布均匀性之间的相关关系。结果表明:随集群系数fc的增大,k减小,LH增大,对应的孔隙分布均匀性变差。试验与仿真结果相比,k和LH的相对误差分别为1.6%、4.3%。该方法可以为封严涂层或其他类似材料的组成相分布均匀性定量表征提供参考。

关键词： 构造煤   孔隙结构   分形特征   灰色关联分析  

摘要： 构造煤的孔隙结构具有非均质性、自相似性及标度不变性等分形特征,难以用传统的欧式几何方法对其孔隙特征进行定量描述。为了研究构造煤不同尺度孔隙结构的分形特征及表征方法,采用低温CO2吸附法、低温N2吸附法和压汞法等分别测试了4种试验煤样(原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤)的微孔、介孔及大孔孔隙结构,分析了构造煤中不同尺度孔隙的分形特征,探讨了构造煤孔隙结构多尺度分形特征综合表征方法,运用灰色关联方法研究了构造煤孔隙分形维数的影响因素。研究结果表明:基于CO2吸附数据的微孔填充模型、基于N2吸附数据的FHH模型和基于压汞数据的热力学模型分别能够对构造煤微孔、介孔和大孔孔隙的分形特征进行有效表征,不同尺度孔隙的分形维数随构造煤类型变化的规律不同,其中微孔分形维数及介孔中2~6 nm孔径段的分形维数随构造煤的破坏程度增大而增高,其余尺度孔隙的分形维数变化则没有明显规律。以阶段孔容比例为权重,对构造煤不同尺度的孔隙分形维数进行加权计算,即得构造煤多尺度综合分形维数,其能够反映不同尺度孔隙的分形特征,表现为多尺度综合分形维数随构造煤变形程度的增强而增大。根据灰色关联度排序,中值孔径、微孔孔容、总比表面积、微孔比表面积等因素对分形维数的影响最大,最可几孔径、总孔容、介孔比表面积、微孔比表面积比例等因素次之,灰分、挥发分、介孔孔容、介孔比表面积比例等因素对分形维数的影响相对较小。

关键词： Heterogeneity   Entropy method   Principle component analysis   Conceptual models   FUZZY COMPREHENSIVE EVALUATION   RAY COMPUTED-TOMOGRAPHY   AQUIFER HETEROGENEITY   SPACE   MICROTOMOGRAPHY   QUANTIFICATION   RECONSTRUCTION   MACROPOROSITY   OPTIMIZATION   MORPHOLOGY  

摘要： Heterogeneity is a common feature of aquifers and plays an important role in the efficiency of remediation of groundwater contamination. Pore-scale heterogeneity is an important control on governing mass transport and chemical/biological reactions in reactive transport processes, but quantitative characterization and systematic assessment of this property has been limited. In this study, a pore-scale-heterogeneity-synthetic index was developed to quantitatively characterize pore-scale heterogeneity of unconsolidated porous media. It was an attempt to systematically assess pore-scale heterogeneity based on statistical analysis of pore-structure characterization parameters. Pore network extraction was conducted to assist in quantifying the pore structure based on X-ray mu-CT imaging data. The quantitative characterization of pore structure provided input data for a comprehensive evaluation model. Two alternative weighting approaches-principle component analysis and the entropy method-were utilized to calculate the weight of each evaluation indicator. Based on the comprehensive evaluation results, a guideline for classification of pore-scale heterogeneity was proposed by cluster analysis. Further analysis indicated that particle size, shape, and distribution had a potential influence on pore-scale heterogeneity. The bigger, more irregular particles, as well as a wider particle-size distribution, were conducive to forming high heterogeneity at pore scale. The obtained results will provide useful information and theoretical support for pore-scale heterogeneity characterization and understanding of the pore-scale mechanisms of reactive transport processes.

关键词： 格子玻尔兹曼方法   液流电池   反应传输过程   孔隙尺度  

摘要： 低共熔溶剂作为一种非水系电解液,在提高液流电池能量密度方面展现出极大的发展潜力。本文针对以低共熔溶剂为电解液的非水系全铜液流电池内反应传输行为,建立了考虑电解液流动、铜离子组分传质、电荷传输以及电化学反应过程的孔隙尺度多松弛时间格子玻尔兹曼模型。在此基础上,以随机重构获得的三维多孔电极结构为模拟对象,数值研究了这种非水系液流电池正极恒电流充电过程中孔隙尺度的耦合反应传输过程,分析了充电电流密度及运行温度对非水系全铜液流电池运行性能的影响规律。

关键词： 孔隙尺度   热的非平衡性   多孔介质  

摘要： 利用孔隙尺度介观方法对交错排列的固体小球的三维填充床进行数值模拟。研究高温条件下,考虑小球内部的热传导和小球表面的辐射换热时,固体小球和流体之间热的非平衡性以及孔隙内的流动特性。数值计算与实验结果吻合较好。结果表明:除进出口通道外,填充床内同相和异相之间都存在热的非平衡性,气相处的温度变化比气固两相交替处的温度变化更剧烈;无量纲速度分布呈周期性变化,气相处最大无量纲速度在13~14之间,最小无量纲速度约为0.5。

关键词： 孔隙尺度   格子Boltzmann法   流体流动   溶质运移  

摘要： 深入探究孔隙尺度下的流体流动特性和溶质运移规律对石油开采、农田养分管理、地下水污染修复有着重要意义。以人工构建的多孔介质结构和同步辐射X射线显微CT扫描的土壤团聚体(分辨率3.7μm)为研究对象,在空间节点数多达64 000 000的情况下,基于格子Boltzmann模型和GPU并行技术计算得到多孔介质流体运动和溶质运移过程的关键参数,并据此探究多孔介质空间异质性对水力学特性的影响。通过对3组不同结构的多孔介质比较发现,结构复杂程度最高的土壤样品和不规则堆叠的圆球结构的渗透率在100 mD(即10^-13m^2)量级,远低于规则堆叠的圆球结构(>20 000 mD);土壤的迂曲度为1.40~1.60,明显高于规则堆叠的圆球结构。研究结果表明,渗透率大的样品具有较小的迂曲度,这与结构的空间异质性有较强的关系;土壤的渗透率和迂曲度呈现各向异性;在水力梯度一定的前提下,渗透率较大的样品,纵向弥散系数也较大;同时,结构的异质性也会影响溶质的穿透曲线。本研究提出的模拟方法可在土壤结构中进行高效的水流运动和溶质运移模拟,可用于土壤多孔介质在孔隙尺度下的水力学特性研究。

关键词： 孔隙类型   孔径分布   核磁共振   低阶煤储层   侏罗系   黄陇煤田   陕北煤田  

摘要： 多尺度微观孔隙结构对低阶煤储层煤层气吸附/解吸过程的研究具有重要意义。以黄陇侏罗系煤田和陕北侏罗系煤田低阶煤为研究对象,采用压汞、液氮吸附和CO2吸附等测试手段表征低阶煤储层的孔径分布、孔隙类型等参数,联合核磁共振测试定量分析低阶煤阶段孔径和多尺度孔径分布特征。结果表明,低阶煤孔隙以微孔为主,大孔次之。微孔、大孔、介孔对比表面积的贡献率依次减小。低阶煤储层孔隙类型以两端开口的“柱状孔”和“墨水瓶孔”为主,孔隙连通性较好。核磁共振法获取样品的T2 c截止值为1.4~155.2 ms,变化较大,束缚流体饱和度(BVI)为79.21%~96.96%,可动流体饱和度低。低阶煤储层的孔隙结构复杂多样,单一测试技术与联合计算表征方法在表征低阶煤储层的孔隙结构时差异较大。

关键词： 多孔介质   孔隙尺度   扩散迂曲度   光滑粒子法   有效扩散系数  

摘要： 多孔介质的扩散迂曲度是污染物在多孔介质中扩散速率的重要量度,研究扩散迂曲度对于研究污染物在多孔介质中的运移规律具有重要意义。迂曲度作为反映孔隙结构的复杂程度的量化指标,其值的大小与孔隙结构关系密切;而在常规宏观试验中难以实现对孔隙结构和试验条件的精准控制,因此有必要发展数值仿真试验技术对扩散迂曲度与孔隙结构的关系进行机理性研究。基于光滑粒子流体动力学(SPH)方法对重构三维土柱进行仿真试验,再采用曲线拟合可获取介质的扩散迂曲度值并确定有效扩散系数。分别采用颗粒流法(PFC)和蒙特卡洛方法随机生成三维球型颗粒堆积土柱和不同倾角的三维片状型颗粒重构土柱用于仿真试验,并根据计算结果探讨了颗粒类型和片状颗粒片层倾角对多孔介质扩散迂曲度的影响。计算结果表明:对片层状多孔介质,片层与浓度梯度方向的夹角对介质的扩散迂曲度影响明显;扩散迂曲度随着片层偏角的增大而增大;当片层走向与浓度梯度方向一致时迂曲度甚至可能小于同孔隙率的球状颗粒堆积体的迂曲度值。

关键词： 固液相变   梯度孔隙率   两区域模型  

摘要： 为了进一步研究方腔内固液相变的过程,本文基于格子玻尔兹曼方法(LBM),采用两区域模型探究了方腔内填充不同方向梯度孔隙率分布的多孔骨架固液相变过程,从孔隙尺度分析了相变过程的流动和传热机理;并对梯度孔隙率多孔介质内固液相变过程中的糊状区做了详细的描述;重点研究了方腔内不同方向梯度孔隙率分布和均匀孔隙率骨架分布对相变过程的影响。研究结果表明:在填充多孔介质固液相变过程中,传热方式由热传导逐渐向自然对流换热转变,从而导致了上薄下厚的糊状区;在填充多孔介质骨架方腔内,不同方向的梯度孔隙率分布对相变过程的影响是不同的,与均匀孔隙率相比,从左到右线性减小以及从上到下线性增加和减少的多孔介质孔隙率分布,其融化率和高温壁面平均Nu数都较大,表明其孔隙率梯度分布的多孔骨架对相变换热起到了明显的促进作用;而当多孔介质孔隙率分布从左到右线性增加时,相变过程则受到明显的抑制。

关键词： 微流燃料电池   阴极扩散层   孔隙尺度模拟   物质传输  

摘要： 采用格子Boltzmann方法研究了微流燃料电池空气阴极多孔扩散层内多组分物质传输特性。随机重构了扩散层,获得渗透率及有效扩散系数。建立了耦合边界电化学反应的二维模型,研究了过电位、孔隙率对氧气、水蒸气浓度分布及局部反应速率的影响。结果表明,常用的Bruggeman经验关联式会高估氧气有效扩散系数;扩散层孔隙结构对物质传输有重要影响,孔隙率减小使得传质阻力增大,导致局部氧气浓度降低,局部反应速率降低,而水蒸气浓度增大,当孔隙率从0.83降至0.7,催化界面平均氧气浓度从8.472降至8.466 mol·m^-3。